Einleitung
Ein Diamant ist Kohlenstoff, von der Erde neu angeordnet. Dieser Satz ist leicht zu schreiben und schwer zu begreifen – denn die Bedingungen, die dafür erforderlich sind, existieren nirgendwo in der Nähe der Oberfläche, umfassen Drücke, die kein Labor in geologischem Maßstab aufrechterhalten kann, und entfalten sich über Zeiträume, die in Milliarden von Jahren gemessen werden.
Zu verstehen, wie sich natürliche Diamanten bilden, ist nicht nur geologische Neugier. Es erklärt, warum Diamanten endlich sind, warum jeder Stein eine einzigartige chemische Signatur trägt und warum keine zwei Vorkommen auf der Erde gleich sind. Die Wissenschaft zieht auch eine klare Grenze zwischen natürlichen und im Labor gezüchteten Diamanten: Beide sind Kohlenstoff, beide sind Diamant – aber der eine zeichnet Milliarden von Jahren der tiefen Erdgeschichte auf, und der andere zeichnet Stunden in einem Reaktor auf.
Wo Diamanten entstehen
Nahezu alle natürlichen Diamanten in Edelsteinqualität entstehen im kratonischen Lithosphärenmantel – den dicken, alten Wurzeln der Kontinente, die sich 150 bis 200 Kilometer unter der Oberfläche erstrecken. Diese Kratone sind die ältesten und stabilsten Teile der Kontinentalplatten, einige datieren mehr als 2,5 Milliarden Jahre zurück.
In diesen Tiefen überschreiten die Bedingungen die Schwelle, an der sich Kohlenstoffatome in das starre tetraedrische Gitter einfügen, das den Diamanten definiert. Oberhalb dieser Zone ist der Druck unzureichend. Darunter – in Tiefen von über 300 Kilometern – bildet sich eine kleine Anzahl sogenannter „supertiefer“ Diamanten unter noch extremeren Bedingungen, doch diese sind selten und erreichen selten Edelsteinqualität.
Die Geographie ist wichtig. Diamanten sind nicht zufällig über den Planeten verteilt. Sie kommen fast ausschließlich unter alten kontinentalen Kratonen vor – im südlichen und westlichen Afrika, Nordkanada, Sibirien, Indien, Brasilien und Australien. Wo die Mantelwurzel jung oder dünn ist, bilden sich keine Diamanten.
Temperatur und Druck
Zwei Variablen bestimmen die Diamantstabilität: Temperatur und Druck. In der diamantbildenden Zone reichen die Temperaturen von 950°C bis 1.400°C, und der Druck übersteigt 4 GPa – etwa das 40.000-fache des atmosphärischen Drucks auf Meereshöhe.
Diese Zahlen definieren ein Stabilitätsfeld in einem Phasendiagramm. Innerhalb dieses Feldes ordnen sich Kohlenstoffatome als Diamant an. Außerhalb davon – bei niedrigeren Drücken zum Beispiel – bildet Kohlenstoff stattdessen Graphit. Deshalb ist die Geschwindigkeit wichtig, wenn Diamanten schließlich an die Oberfläche gelangen: Ist die Reise zu langsam, zerfällt der Stein zu Graphit, bevor er kühleres Gestein mit geringerem Druck erreicht. Der Diamant, den Sie tragen, überlebte, weil er schnell genug bewegt wurde.
Das Druck-Temperatur-Fenster ist in geologischer Hinsicht eng, aber es erstreckt sich über ein weites horizontales Gebiet unter jedem Kraton. Deshalb können einzelne diamanthaltige Vorkommen Steine unterschiedlichen Alters enthalten – die Bildungszone besteht über Milliarden von Jahren und produziert Diamanten über mehrere geologische Episoden hinweg.
Kohlenstoffquelle und Kristallisation
Diamanten wachsen nicht aus festem Gestein. Sie kristallisieren aus kohlenstoffhaltigen Flüssigkeiten und Schmelzen, die durch den Erdmantel wandern – ein Prozess, den Geologen als Metasomatose bezeichnen. Diese Flüssigkeiten, reich an gelöstem Kohlenstoff zusammen mit Wasser und Kohlendioxid, sickern durch die Zwischenräume des Mantelgesteins. Wenn sich die Bedingungen von Druck, Temperatur oder chemischer Zusammensetzung entlang des Flüssigkeitspfades ändern, fällt Kohlenstoff aus der Lösung aus und kristallisiert als Diamant.
Der Kohlenstoff selbst hat zwei Hauptursprünge. Ein Teil ist primordial – seit der Entstehung der Erde im Erdmantel vorhanden. Ein Teil wird recycelt: Die Subduktion tektonischer Platten treibt Oberflächenkohlenstoff – aus ozeanischer Kruste, Sedimenten und organischem Material – tief in den Erdmantel, wo er für das Diamantwachstum verfügbar wird. Die Kohlenstoffisotopenanalyse einzelner Diamanten kann zwischen diesen Quellen unterscheiden und liefert so einen chemischen Fingerabdruck darüber, wo und wann der Kohlenstoff in den Mantel gelangte.
Dieser metasomatische Prozess ist langsam und episodisch. Ein einzelner Diamant kann über Millionen von Jahren wachsen, pausieren und das Wachstum wieder aufnehmen, wobei er die sich ändernden Mantelbedingungen in konzentrischen Wachstumszonen, die unter Vergrößerung sichtbar sind, aufzeichnet.
Wirtsgesteine: Peridotit und Eklogit
Diamanten bilden sich innerhalb zweier Haupttypen von Mantelgestein, und die Unterscheidung ist wichtig, da sie die in jedem Stein eingeschlossenen Mineralien beeinflusst.
Peridotit ist das dominierende Wirtsgestein und macht volumetrisch über 95 % des diamanthaltigen Mantelmaterials aus. Es ist der Hauptbestandteil des oberen Erdmantels – ein dichtes, olivinreiches Gestein, das das Substrat der kratonischen Wurzel bildet. Diamanten, die in Peridotit gewachsen sind, enthalten typischerweise Einschlüsse von Olivin, Pyrop-Granat und Chromspinell.
Eklogit macht weniger als 5 % des Diamant-Wirtsmaterials aus, produziert aber einen unverhältnismäßig großen Anteil an größeren Steinen höherer Qualität. Eklogit ist dichter als Peridotit und entsteht aus subduzierter ozeanischer Kruste, die in der Tiefe metamorphosiert wurde. Diamanten aus Eklogit tragen andere Einschlüsse – typischerweise Granat und Klinopyroxen (Omphazit) – und zeigen oft Kohlenstoffisotopensignaturen, die mit recyceltem Oberflächenkohlenstoff übereinstimmen.
Die Unterscheidung des Wirtsgesteins ist in einem fertigen Schmuckstück unsichtbar, aber sie ist in den Einschlüssen des Diamanten geschrieben. Diese Mineralfragmente, die zum Zeitpunkt der Entstehung im Stein versiegelt wurden, sind die einzigen direkten Proben des tiefen Erdmantels, die der Wissenschaft zur Verfügung stehen.
Wie alt sind Diamanten?
Einzelne Diamanten wurden mit radiogenen Isotopensystemen – am häufigsten der Osmium-Rhenium-Datierung von im Stein eingeschlossenen Mineralien – auf ein Alter von etwa 90 Millionen bis über 3,5 Milliarden Jahren datiert.
Die ältesten Diamanten sind mehr als eine Milliarde Jahre älter als das erste mehrzellige Leben. Viele der heute im südlichen Afrika abgebauten Diamanten bildeten sich während des Archaikums vor über 2,5 Milliarden Jahren. Andere, aus jüngeren Vorkommen, entstanden während späterer geologischer Episoden, als Mantel-Fluide Kohlenstoff unter denselben Kratonen remobilisierten.
Es ist erwähnenswert, dass das Alter eines Diamanten nicht dasselbe ist wie das Alter des Vorkommens, in dem er gefunden wird. Ein drei Milliarden Jahre alter Diamant könnte durch eine Kimberlit-Eruption vor nur 100 Millionen Jahren an die Oberfläche gebracht worden sein. Der Stein wartete den größten Teil der Erdgeschichte im Erdmantel, bevor er an die Oberfläche gelangte.
Weitere Arten der Diamantbildung
Während die kratonische Mantel-Kristallisation praktisch alle natürlichen Diamanten in Edelsteinqualität hervorbringt, gibt es drei weitere Mechanismen, die Diamanten in der Natur erzeugen – keiner davon in Schmuckqualität.
Subduktionszonen können Mikrodiamanten – typischerweise 1 bis 80 Mikrometer groß – produzieren, wenn kohlenstoffreiches Material in ausreichende Tiefe und unter ausreichenden Druck gedrückt wird. Diese sind wissenschaftlich wertvoll, aber viel zu klein für jede praktische Verwendung.
Asteroideneinschläge erzeugen kurzzeitig Hochdruckbedingungen am Kollisionspunkt, wodurch Kohlenstoff im Zielgestein zu Diamant umgewandelt wird. Die resultierenden Steine sind winzig – selten über 2 Millimeter – und stark zerbrochen.
Meteoriten enthalten gelegentlich Nanodiamanten, die im Weltraum entstanden sind, entweder im interstellaren Medium oder während des Schocks von Planetenkollisionen. Diese werden in Nanometern gemessen und unter Elektronenmikroskopen untersucht.
Für Verbraucher ist die Unterscheidung unkompliziert: Der Diamant in einem Ring entstand durch die erste Methode – tief im Erdmantel, über geologische Zeiträume, unter anhaltendem Druck, den kein Oberflächenereignis replizieren kann.
Zusammenfassung
Natürliche Diamanten sind das Produkt anhaltender extremer Bedingungen tief im Erdmantel – Kohlenstoff, der aus wandernden Fluiden in 150–200 km Tiefe, unter Drücken über 4 GPa und Temperaturen von 950–1.400°C, innerhalb der alten Wurzeln der Kontinente kristallisierte. Die meisten sind zwischen einer und dreieinhalb Milliarden Jahre alt. Jeder Stein zeichnet in seiner Chemie und seinen Einschlüssen die spezifische Mantelumgebung auf, in der er wuchs – ein geologisches Archiv, versiegelt unter dem härtesten bekannten Naturmaterial. Das Verständnis dieses Prozesses ist die Grundlage für alles andere in der Diamantwissenschaft: wie Diamanten an die Oberfläche gelangen, warum sie unterschiedliche Farben aufweisen und was ihre Einschlüsse über die tiefe Erde verraten.